在染料的研究中積累一定經(jīng)驗(yàn)后，費(fèi)歇爾把研究對(duì)象轉(zhuǎn)向碳水化合物，因?yàn)樗X(jué)得碳水化合物與人類(lèi)生活關(guān)系密切。碳水化合物最基本的物質(zhì)是各類(lèi)低碳糖，其次是淀粉和纖維素。費(fèi)歇爾對(duì)糖類(lèi)化合物開(kāi)始研究時(shí)，科學(xué)家僅知道有葡萄糖、果糖、半乳糖和山梨糖四種單糖，它們的分子式都是C6H12O6，雙糖有蔗糖、乳糖，其分子式為C12H22O11，還知道淀粉、纖維素水解的最終產(chǎn)物是糖類(lèi)。但是由于相當(dāng)多的糖類(lèi)在不純時(shí)不易取得結(jié)晶而妨礙了對(duì)糖類(lèi)的鑒別和進(jìn)一步的深入研究。

費(fèi)歇爾在糖類(lèi)研究方面花了十年時(shí)間，系統(tǒng)地研究了各種糖類(lèi)。他還發(fā)現(xiàn)并總結(jié)出將糖類(lèi)還原為多元醇，將醛糖氧化為羧酸羥基酸等研究糖類(lèi)的新方法，在此基礎(chǔ)上他得心應(yīng)手地合成了50多種糖分子。通過(guò)研究，費(fèi)歇爾確定了許多糖類(lèi)的構(gòu)型，并首次對(duì)立體結(jié)構(gòu)以投影的方式加以表征，即費(fèi)歇爾投影式。費(fèi)歇爾投影式最大的優(yōu)點(diǎn)在于，用二維平面來(lái)表征三維立體結(jié)構(gòu)，能夠較好地喚起人們的空間想像，成為有機(jī)化學(xué)中的重要的化學(xué)用語(yǔ)。由于費(fèi)歇爾的杰出工作，人們終于探明了單糖的本性及其相互間的關(guān)系。

費(fèi)歇爾根據(jù)他所掌握的有關(guān)糖類(lèi)的豐富知識(shí)，還提出了一個(gè)有關(guān)發(fā)酵機(jī)理的著名假說(shuō)。他認(rèn)為糖類(lèi)物質(zhì)由于酶的存在而發(fā)生分解，而不同的糖需要不同的酶的作用才能分解，這可能因?yàn)樘呛兔傅姆肿咏Y(jié)構(gòu)有某些共同點(diǎn)，猶如鎖頭與鑰匙的關(guān)系。

對(duì)于雙糖類(lèi)的研究，費(fèi)歇爾也取得了很大的成績(jī)，對(duì)于淀粉、纖維素等多糖的研究，未能如愿，因長(zhǎng)期與苯肼接觸而慢性中毒，不得不停止接觸這一試劑。從1882年～1906年，第二類(lèi)研究對(duì)象就是嘌呤堿類(lèi)物質(zhì)。涉及的物質(zhì)有可可堿、茶堿、咖啡堿等有生理活性的物質(zhì)，因?yàn)樗鼈兌寄芷鹋d奮作用，因此費(fèi)歇爾決定研究它們。

費(fèi)歇爾的研究從尿酸入手，尿酸是人們最早認(rèn)識(shí)的嘌呤化合物中的一種。通過(guò)深入研究，他逐個(gè)地確定了上述物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)，還合成了上述物質(zhì)的母體化合物——嘌呤及其許多衍生物。他制備了當(dāng)時(shí)尚未被認(rèn)識(shí)的嘌呤衍生物，他發(fā)現(xiàn)了催眠藥二乙基巴比妥酸。他還探索了嘌呤類(lèi)化合物與糖類(lèi)及磷酸的結(jié)合，指出由它們能夠得到構(gòu)成細(xì)胞的主要成分——核酸，從而為生物化學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1899年開(kāi)始，費(fèi)歇爾選擇了一個(gè)更難的課題，即對(duì)氨基酸、多肽及蛋白質(zhì)的研究。蛋白質(zhì)與人類(lèi)的生活、生命關(guān)系更為密切。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一個(gè)分子往往有幾千個(gè)原子。面對(duì)這一難題，費(fèi)歇爾充滿(mǎn)信心地說(shuō)：“關(guān)于有機(jī)合成的這項(xiàng)研究，由于先輩們留下了寶貴的經(jīng)驗(yàn)方法，在短短的62年內(nèi)征服了尿素、脂肪、多種酸類(lèi)、染料等，并進(jìn)而征服了尿酸和糖類(lèi)。從而可以斷言對(duì)任何活著的有機(jī)物體產(chǎn)物，我們都不必膽怯。”

對(duì)蛋白質(zhì)的研究，費(fèi)歇爾決定從它的基本組成氨基酸開(kāi)始。為了認(rèn)識(shí)所有的氨基酸，他發(fā)展和改進(jìn)了許多分析方法，一一將各種氨基酸分離出來(lái)進(jìn)行鑒別。由于他的辛勤勞動(dòng)，人們認(rèn)識(shí)了19種氨基酸。自然界中有幾十萬(wàn)種蛋白質(zhì)，而它們都是由20種氨基酸以不同的數(shù)量比例和不同的排列方式結(jié)合而成的。在進(jìn)一步探索蛋白質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)及合成方法時(shí)，他發(fā)現(xiàn)將氨基酸聚合，首先得到的不是蛋白質(zhì)，而是以他命名為多肽的一類(lèi)化合物。將蛋白質(zhì)進(jìn)行分解，首先得到的也是多肽一類(lèi)化合物。根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)，1902年他提出了蛋白質(zhì)的多肽結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)。他指出：蛋白質(zhì)分子是許多氨基酸以肽鍵結(jié)合而成的長(zhǎng)鏈高分子化合物。兩個(gè)氨基酸結(jié)合成二肽，三個(gè)氨基酸分子結(jié)合成三肽，多個(gè)氨基酸結(jié)合成多肽。隨后他合成了100多種多肽化合物，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，開(kāi)始只采用同一氨基酸使其鏈逐步增長(zhǎng)，發(fā)展到采用多種氨基酸使其氨基酸雙鏈伸長(zhǎng)。1907年，他制取由18種氨基酸分子組成的多肽，成為當(dāng)時(shí)的重要科學(xué)新聞，并于1914年第一個(gè)合成了核苷酸。他又被提名為諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)候選人。

由于積勞成疾，身體狀況惡化，也由于第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，費(fèi)歇爾不得不中斷了這一重要的研究。

用現(xiàn)在的觀點(diǎn)看，“蛋白體”實(shí)際上就是蛋白質(zhì)和核酸的復(fù)合體。鑒于這一點(diǎn)，可見(jiàn)費(fèi)歇爾研究工作的重要意義，他為現(xiàn)代蛋白質(zhì)和核酸的研究奠定了基礎(chǔ)。

加之第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，他的健康每況愈下。1919年7月15日，這位德國(guó)有機(jī)化學(xué)大師的心臟停止了跳動(dòng)，享年67歲。

高分子化學(xué)奠基人施陶丁格

施陶丁格是德國(guó)有機(jī)化學(xué)家和高分子化學(xué)的奠基人。他自幼愛(ài)好哲學(xué)和自然科學(xué)，特別是植物學(xué)，酷愛(ài)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。1903年，他獲得化學(xué)博士學(xué)位。1912年，他在瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等工業(yè)學(xué)校任教，講授有機(jī)化學(xué)。1926年任德國(guó)弗萊堡大學(xué)教授，1940年任該大學(xué)高分子化學(xué)研究所所長(zhǎng)。

施陶丁格首先提出高分子化合物概念，預(yù)言了高分子化合物與人體的重要關(guān)系。他提出了高分子化合物粘度跟高分子化合物相對(duì)分子質(zhì)量之間的關(guān)系式，即施陶丁格方程，迄今仍為測(cè)定高分子化合物相對(duì)分子質(zhì)量的基本方法。他首創(chuàng)的高分子理論直到今天仍然是合成高分子工業(yè)的理論基礎(chǔ)。他是縮聚反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者，是第一個(gè)合成能與天然橡膠媲美的人工合成橡膠。一生發(fā)表關(guān)于有機(jī)化學(xué)高分子方面的論文600多篇，出版了劃時(shí)代的著作《高分子有機(jī)化合物》。他還是《高分子化學(xué)》雜志的創(chuàng)辦人。由于他在高分子領(lǐng)域中的卓越貢獻(xiàn)，曾獲1953年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

棉、麻、絲、木材、淀粉都是天然高分子化合物，從某種意義上講，人體本身也是一個(gè)復(fù)雜的高分子體系。在過(guò)去漫長(zhǎng)的歲月里，人們雖然天天與天然高分子打交道，但是對(duì)它們的本性卻一無(wú)所知。現(xiàn)在我們知道什么是高分子，并建立了許多大規(guī)模的高分子合成工業(yè)，生產(chǎn)出五光十色的塑料、精美耐用的合成纖維、性能優(yōu)異的合成橡膠，可以毫不夸張地說(shuō)，人類(lèi)今天的衣、食、住、行、家用電器、建材、電子、化工、冶金、農(nóng)業(yè)、交通、國(guó)防，小到一顆螺絲釘，大到航天飛行器，沒(méi)有哪一樣能離開(kāi)合成高分子。我們身上穿的是聚酯襯衫、腳下踩的是聚丙烯地毯，用的是聚酯軟盤(pán)……合成高分子材料已與金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料構(gòu)成材料世界的三分天下局面。人們生活在高聚物時(shí)代，享受著高聚物時(shí)代的物質(zhì)文明，我們不能不緬懷高分子化學(xué)的奠基人德國(guó)化學(xué)家施陶丁格。

高分子是由許多結(jié)構(gòu)相同的單體聚合而成的，相對(duì)分子質(zhì)量往往是幾萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)甚至百萬(wàn)。

結(jié)構(gòu)、形狀也很特別，如果把普通分子看成珍珠，那么高分子由單體彼此連接成的長(zhǎng)鏈就是項(xiàng)鏈。有些高分子長(zhǎng)鏈之間又有支鏈相結(jié)而成網(wǎng)狀。由于大分子與大分子間存在引力，這些長(zhǎng)鏈不但各自卷曲而且相互纏繞，形成了既有一定強(qiáng)度，又有不同程度彈性的良好可塑性固體。正是這種內(nèi)在結(jié)構(gòu)，使它具有包括電絕緣與導(dǎo)電性在內(nèi)的許多特性，成為新型的優(yōu)質(zhì)材料。人們對(duì)它們的組成、結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和合成方法的掌握經(jīng)歷了一個(gè)實(shí)踐——認(rèn)識(shí)——再實(shí)踐的曲折過(guò)程。

1812年，化學(xué)家用酸水解木屑、樹(shù)皮、淀粉等植物的實(shí)驗(yàn)中得到了葡萄糖，證明淀粉、纖維素都由葡萄糖組成。1826年，法拉第通過(guò)元素分析發(fā)現(xiàn)橡膠的單體分子式為C5H8。后來(lái)人們測(cè)出C5H8的結(jié)構(gòu)是異戊二烯，人們逐步了解了構(gòu)成天然高分子化合物的單體。

1839年，有個(gè)名叫德意爾的美國(guó)人，偶然發(fā)現(xiàn)天然橡膠與硫磺共熱后明顯地改變了性能，使它從硬度較低變?yōu)楦挥袕椥缘牟牧稀＿@一發(fā)現(xiàn)的推廣應(yīng)用促進(jìn)了天然橡膠工業(yè)的建立。天然橡膠這一處理方法，在化學(xué)上叫做高分子的化學(xué)改性，在工業(yè)上叫天然橡膠的硫化處理。

進(jìn)一步試驗(yàn)，化學(xué)家們將纖維素進(jìn)行化學(xué)改性獲得了第一種人造塑料——賽璐珞和人造絲。

1889年，法國(guó)建成了最早的人造絲工廠(chǎng)，1990年，英國(guó)建成了以木漿為原料的粘膠纖維工廠(chǎng)。天然高分子的化學(xué)改性，大大開(kāi)闊了人們的視野。1907年，美國(guó)化學(xué)家在研究苯酚和甲醛的反應(yīng)中制得了最早的合成塑料——酚醛樹(shù)脂，俗名電木。1909年，德國(guó)化學(xué)家以熱引發(fā)聚合異戊烯獲得成功。在這一實(shí)驗(yàn)啟發(fā)下，德國(guó)化學(xué)家采用與異戊二烯結(jié)構(gòu)相近的2，3-二甲丁二烯為原料，在金屬鈉的催化下，合成了甲基橡膠，開(kāi)創(chuàng)了合成橡膠的工業(yè)生產(chǎn)。

上述對(duì)高分子化合物的單體分析、天然高分子的化學(xué)改性的實(shí)踐和合成塑料、合成橡膠方面的探索，使人們深切地感受到必須弄清高分子化合物的組成、結(jié)構(gòu)及合成方法。對(duì)于這個(gè)基礎(chǔ)理論問(wèn)題人們所知甚少，這一理論發(fā)展得緩慢與高分子本身的復(fù)雜性有關(guān)。化學(xué)家一直搞不清它們的相對(duì)分子質(zhì)量究竟是多少，它為什么難于透過(guò)半透膜而有點(diǎn)橡膠體？它為什么沒(méi)有固定的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，不易形成結(jié)晶？這些獨(dú)特的性質(zhì)以當(dāng)時(shí)的化學(xué)觀來(lái)看是很難理解的。

早在1861年，膠體化學(xué)奠基人格雷阿姆曾將高分子與膠體進(jìn)行比較，認(rèn)為高分子是由一些小的結(jié)晶分子形成的，并從高分子溶液具有膠體性質(zhì)著眼，提出了高分子的膠體理論。該理論在一定程度上解釋了某些高分子的特性。

人們將支持格雷阿姆的高分子膠體理論的稱(chēng)為膠體論者。他們拿膠體化學(xué)理論來(lái)套高分子物質(zhì)，認(rèn)為纖維是葡萄的締合體。所謂締合體即小分子物理聚合。他們還因當(dāng)時(shí)無(wú)法測(cè)出高分子的末端基團(tuán)，而提出它們是環(huán)狀化合物。在當(dāng)時(shí)只有德國(guó)有機(jī)化學(xué)家施陶丁格等少數(shù)幾個(gè)人不同意膠體論者的上述看法。施陶丁格發(fā)表了《關(guān)于聚合反應(yīng)》的論文，他從研究甲醛和丁二烯的聚合反應(yīng)出發(fā)，認(rèn)為聚合不同于締合，它是分子靠正常的化學(xué)鍵結(jié)合起來(lái)的。天然膠應(yīng)該具有線(xiàn)性長(zhǎng)鏈的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)式。這篇論文的發(fā)表，就像在一潭平靜的湖面扔進(jìn)一塊石頭，一場(chǎng)激烈而又嚴(yán)肅的學(xué)術(shù)爭(zhēng)論從此拉開(kāi)序幕。

1922年，施陶丁格進(jìn)而提出了高分子是由長(zhǎng)鏈大分子構(gòu)成的觀點(diǎn)，動(dòng)搖了傳統(tǒng)膠體理論的根基。膠體論者堅(jiān)持認(rèn)為，天然橡膠是通過(guò)部分價(jià)鍵締合起來(lái)的，這種締合歸結(jié)于異戊二烯的不飽和狀態(tài)。他們自信地預(yù)言：橡膠加氫將會(huì)破壞這種締合，得到的產(chǎn)物將是一種低沸點(diǎn)分子烷烴。針對(duì)這一點(diǎn)，施陶丁格研究了天然橡膠的加氫過(guò)程，結(jié)果得到的是加氫橡膠而不是低分子烷烴，而且加氫橡膠在性質(zhì)上與天然橡膠幾乎沒(méi)有什么區(qū)別。結(jié)論增強(qiáng)了他關(guān)于天然橡膠是由長(zhǎng)鏈大分子構(gòu)成的信念。隨后他將研究成果推廣到多聚甲醛和聚苯乙烯中，指出它們的結(jié)構(gòu)同樣是由共價(jià)鍵結(jié)合形成的長(zhǎng)鏈大分子。

施陶丁格的觀點(diǎn)繼續(xù)遭到膠體論者的激烈反對(duì)，有的學(xué)者認(rèn)為根本不可能有大分子存在。施陶丁格沒(méi)有退卻。他更認(rèn)真地開(kāi)展有關(guān)課題的深入研究，堅(jiān)信自己的理論是正確的。他曾先后在1924年及1926年召開(kāi)的德國(guó)博物學(xué)及醫(yī)學(xué)會(huì)議上，詳細(xì)地介紹了自己的大分子理論，與膠體論者展開(kāi)了面對(duì)面的辯論。

辯論主要圍繞著兩個(gè)問(wèn)題展開(kāi)：一是施陶丁格認(rèn)為測(cè)定高分子溶液的粘度可以換算出其相對(duì)分子質(zhì)量，相對(duì)分子質(zhì)量的多少可以確定它是大分子還是小分子。膠體論者則認(rèn)為粘度和相對(duì)分子質(zhì)量沒(méi)有直接聯(lián)系。當(dāng)時(shí)由于缺乏必要的實(shí)驗(yàn)證明，施陶丁格顯得比較被動(dòng)，處于劣勢(shì)地位。施陶丁格沒(méi)有退卻，通過(guò)反復(fù)的研究，終于在粘度和相對(duì)分子質(zhì)量之間建立了數(shù)學(xué)關(guān)系式，這就是著名的施陶丁格方程。辯論的另一個(gè)問(wèn)題是高分子結(jié)構(gòu)中晶胞與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。雙方都使用X射線(xiàn)衍射法觀測(cè)纖維素，都發(fā)現(xiàn)單體（小分子）與晶胞大小很接近。對(duì)此雙方的看法截然不同。膠體論者認(rèn)為一個(gè)晶胞就是一個(gè)分子，晶胞通過(guò)晶格力相互締合，形成高分子。施陶丁格認(rèn)為晶胞大小與高分子本身大小無(wú)關(guān)，一個(gè)高分子可以有許多晶胞。對(duì)同一實(shí)驗(yàn)事實(shí)有不同解釋?zhuān)烤拐l(shuí)是誰(shuí)非？科學(xué)的裁判是實(shí)驗(yàn)事實(shí)。正當(dāng)雙方觀點(diǎn)爭(zhēng)執(zhí)不下時(shí)，1926年瑞典化學(xué)家斯給德貝格等人設(shè)計(jì)出一種超離心機(jī)，用它測(cè)量出蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量，證明高分子的相對(duì)分子質(zhì)量的確是從幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)。這一事實(shí)成為大分子理論的直接證據(jù)。

事實(shí)上，參加這場(chǎng)論戰(zhàn)的科學(xué)家都是嚴(yán)肅認(rèn)真和熱情友好的。他們?yōu)榱俗非罂茖W(xué)真理，都全身心地投入了縝密的實(shí)驗(yàn)研究，都尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)。當(dāng)許多實(shí)驗(yàn)逐漸證明施陶丁格的理論更符合事實(shí)時(shí)，支持施陶丁格的隊(duì)伍也隨之壯大，1926年的國(guó)際化學(xué)會(huì)上大分子概念已得到與會(huì)者的一致公認(rèn)。

在大分子理論被接受的過(guò)程中，最使人感動(dòng)的是原先大分子理論的兩位主要反對(duì)者，晶胞學(xué)說(shuō)的權(quán)威馬克和邁耶在1928年公開(kāi)地承認(rèn)了自己的錯(cuò)誤，同時(shí)高度評(píng)價(jià)了施陶丁格的出色工作和堅(jiān)忍不拔的精神，并且還具體地幫助施陶丁格完善和發(fā)展了大分子理論。這就是真正的科學(xué)精神。